JP2012159549A - オートフォーカス装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光源と、光源と測定対象物との間に配され、光源からの出射光と測定対象物からの戻り光とが同一光路となるように通過させる光学部と、光学部を通過した戻り光によりフォーカス検出を行う検出手段と、を備える。また、光学部は、光源からの前記出射光を平行光とするチューブレンズと、チューブレンズからの前記平行光をライン形状に変形させる光形状変形手段と、光形状変形手段からのライン形状の光により前記測定対象物の表面にライン形状のパターン像を集光させる対物レンズと、対物レンズにより集光されるライン形状のパターン像を所定の角度回転させる回転手段と、を備える。
【選択図】図1
Description
オートフォーカス装置は、単一の光ビームを測定対象物(ワーク)に集光してフォーカス検出を行い、合焦位置を取得する。
具体的に、例えば、図8に示すオートフォーカス装置500では、レーザダイオード501から出射されたレーザ光を、対物レンズ502を介してワークWに照射させ、ワークWの表面で反射されて対物レンズ502及びチューブレンズ503を介して戻ってきた反射光を、ビームスプリッタ504で分岐して受光素子505A及び受光素子505Bに照射させるようになっている。このとき、ワークWの表面には、微小スポットSが結像されている。
そのため、例えば、シリンドリカルレンズを用いて、ワークWの表面上に結像するレーザ光の形状をライン形状とし、平均化効果を向上させて、段差部でもフォーカス検出を可能とする技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
光源と、
前記光源と測定対象物との間に配され、前記光源からの出射光と前記測定対象物からの戻り光とが同一光路となるように通過させる光学部と、
前記光学部を通過した前記戻り光によりフォーカス検出を行う検出手段と、
を備え、
前記光学部は、
前記光源からの前記出射光を平行光とするチューブレンズと、
前記チューブレンズからの前記平行光をライン形状に変形させる光形状変形手段と、
前記光形状変形手段からのライン形状の光により前記測定対象物の表面にライン形状のパターン像を集光させる対物レンズと、
前記対物レンズにより集光されるライン形状のパターン像を所定の角度回転させる回転手段と、
を備えることを特徴とする。
前記光形状変形手段は、シリンドリカルレンズであり、
前記回転手段は、前記シリンドリカルレンズを回転させることにより、前記ライン形状のパターン像を回転させることを特徴とする。
前記シリンドリカルレンズは、着脱可能に備えられていることを特徴とする。
前記光形状変形手段は、
駆動ミラーと、
前記駆動ミラーと前記測定対象物の表面とを結ぶ光軸に対して垂直な面に平行な軸回りに前記駆動ミラーを回転駆動させる駆動手段と、
を備え、
前記回転手段は、前記駆動ミラーと前記測定対象物の表面とを結ぶ光軸回りに前記駆動ミラーを回転させることにより、前記ライン形状のパターン像を回転させることを特徴とする。
前記駆動手段は、前記駆動ミラーを駆動状態と静止状態とに切り替え可能であり、
前記駆動ミラーを駆動状態と静止状態とに切り替えることにより、前記パターン像の形状をライン形状とスポット状とに切り替えることを特徴とする。
前記検出手段により検出された戻り光の光量が所定の閾値を超えているか否かを判定し、所定の閾値を超えていないと判定した場合に、エラーとして判定するエラー判定手段を更に備え、
前記回転手段は、
前記エラー判定手段によりエラーが検出された場合に、前記ライン形状のパターン像を回転させることを特徴とする。
前記光源からの前記出射光の波長を変更することで、前記パターン像の色が変更可能であることを特徴とする。
本発明に係るオートフォーカス装置は、例えば、顕微鏡、画像計測機などの光学装置に搭載されるものである。
まず、構成について説明する。
第1実施形態に係るオートフォーカス装置100は、図1、2に示すように、光出射部1と、ハーフミラー2と、光学部10と、ビームスプリッタ3と、検出部4A,4Bと、演算部5と、ステージ6と、ステージ駆動機構部7と、制御部8と、を備えて構成される。
なお、第1実施形態においては、図1に示すように、光出射部1からハーフミラー2に向かう方向をX方向(左右方向)、ハーフミラー2から光学部10に向かう方向をZ方向(高さ方向)、X方向及びZ方向に直交する方向をY方向(前後方向)とする。
また、ハーフミラー2は、ワークWの表面にて反射され、下方から光学部10を透過して進んできた戻り光を透過させ、ビームスプリッタ3に向かって照射する。
具体的に、光学部10は、上方から順にチューブレンズ11と、シリンドリカルレンズ12と、対物レンズ13と、を備えて構成される。なお、チューブレンズ11、シリンドリカルレンズ12、及び対物レンズ13は、光軸が同一となっている。
回転軸123は、その他端が駆動モータ124と結合され、駆動モータ124から伝達される駆動力により一定速度で回転する。
駆動モータ124は、制御部8が出力する制御信号に応じて回転軸123を回転させる。
これら第一ギア121、第二ギア122、回転軸123、駆動モータ124は、対物レンズ13により集光されるライン形状のパターン像を所定の角度回転させる回転手段として機能する。
ワークWの表面に形成されるライン形状のパターン像は、回転手段(駆動モータ124)を制御してシリンドリカルレンズ12を回転させることにより、回転させることが可能である。
従って、例えば、図3(a)〜(c)に示すように、ワークWの表面に存在するエッジの方向と重ならないようにパターン像を回転させることで、エッジが如何なる向きに存在する場合でも、フォーカス検出ができるようになっている。
そして、ワークWの表面にて反射され、出射光と同一光路を逆方向に進むワークWからの戻り光は、光学部10を下方から透過する際に、シリンドリカルレンズ12によりライン形状ビームから円形状の平行光に再度変換されて、上方のハーフミラー2を透過して、ビームスプリッタ3に向かうこととなる。
なお、シリンドリカルレンズ12の抜き差し作業は、手動で行うようにしてもよいし、ライン形状のパターン像でフォーカス検出できなかった場合(例えば、ワークWの表面に形成されたパターン像がエッジと重なってうまく反射されずに、所定の光量が得られなかった場合等)に、自動的にシリンドリカルレンズ12を光路上から取り外すことで、スポット状のパターン像に切り替えるようにしてもよい。反対に、スポット状のパターン像でフォーカス検出できなかった場合(所定の光量が得られなかった場合等)に、自動的にシリンドリカルレンズ12を光路上に配置することで、ライン形状のパターン像に切り替えるようにしてもよい。
具体的に、ステージ駆動機構部7は、演算部5で取得されたフォーカス誤差信号に基づいて制御部8から出力される制御信号に応じてステージ6をX、Y、Z方向に移動させると共に、ステージ6のX、Y、Z方向における位置(位置座標)を制御部8に出力する。従って、ステージ駆動機構部7により、ステージ6と対物レンズ13との間の相対距離を変化させ、ワークWの表面に焦点を合わせる(フォーカスを検出する)ことが可能となっている。
CPU81は、記憶部83に記憶されている各種処理プログラム等を読み出してRAM82に展開し、この展開されたプログラムとの協働で各種処理を実行することにより、オートフォーカス装置100全体の制御を行う。
RAM82は、CPU81により実行された処理プログラム等を、RAM82内のプログラム格納領域に展開するとともに、入力データや上記処理プログラムが実行される際に生じる処理結果等をデータ格納領域に格納する。
記憶部83は、例えば、不揮発性の半導体メモリで構成され、CPU81によって実行可能なシステムプログラムや、そのシステムプログラムで実行可能な各種処理プログラム、これら各種処理プログラムを実行する際に使用されるデータ、CPU81によって演算処理された各種処理結果のデータなどを記憶する。なお、プログラムは、コンピュータが読み取り可能なプログラムコードの形で記憶部83に記憶されている。
エラー判定される場合としては、例えば、図4(a)に示すように、ワークWの表面に形成されたパターン像がエッジと重なってうまく反射されなかった場合等が挙げられる。この場合、制御部8は、回転手段(駆動モータ124)を制御してシリンドリカルレンズ12を回転させることにより、図4(b)に示すように、パターン像を回転させ、パターン像とエッジの重なりを解消する。即ち、オートフォーカス装置100は、制御部8によりエラーを検出した場合に、ライン形状のパターン像を回転させることで、自動的にエラーを解消することができるようになっている。
なお、エラー判定時にパターン像を回転させる角度については特に制限はないが、例えば、45°周期(0°、45°、90°、135°)で回転させるとよい。
オートフォーカス装置100では、光出射部1から出射した光は、ハーフミラー2を介して光学部10に照射され、光学部10を上方から透過してワークWに照射される。そして、ワークWの表面にて反射された戻り光は、光学部10及びハーフミラー2を下方から透過して、ビームスプリッタ3を介して検出部4A,4Bに入射する。
光学部10は、チューブレンズ11と対物レンズ13との間にシリンドリカルレンズ12を備えており、ワークWの表面に結像されるパターン像がライン形状に形成される。そして、ワークWの表面にて反射した戻り光は、再度、下方から光学部10内のシリンドリカルレンズ12を透過するため、円形状に戻される。
つまり、光出射部1から出射した円形状の出射光は、シリンドリカルレンズ12によりライン形状となりワークWの表面にて反射して、ライン形状の戻り光はシリンドリカルレンズ12により円形状に戻って検出部4A,4Bに到達する。
ここで、ワークWの表面に形成されるライン形状のパターン像は、シリンドリカルレンズ12を回転させることにより回転させることが可能であるため、段差部のエッジの方向と重ならないようにパターン像を回転させることで、エッジが如何なる向きに存在する場合でもフォーカス検出が可能である。
また、制御部8は、検出部4A,4Bにより検出された戻り光の光量が所定の閾値を超えているか否かを判定し、所定の閾値を超えていないと判定した場合に、エラーとして判定する。そして、制御部8は、エラーと判定した場合に、回転手段(駆動モータ124)を制御してシリンドリカルレンズ12を回転させることにより、ライン形状のパターン像を回転させ、自動的にエラーを解消する。
更に、シリンドリカルレンズ12は、着脱可能に備えられているため、シリンドリカルレンズ12の抜き差しにより、パターン像をスポット状とライン形状とに切り替えることができる。
このため、ワークWの表面にライン形状のパターン像が結像され、スポット状のパターン像に比べて平均化効果が向上するので、ワークWの表面に段差部があった場合でもフォーカス検出ができることとなる。また、ライン形状のパターン像は、シリンドリカルレンズ12を回転させることにより回転させることが可能であるため、その段差部が如何なる向きに存在する場合でも、フォーカス検出することができる。
このため、シリンドリカルレンズ12を抜き差しすることにより、ワークWの表面に現れるパターン像をライン形状のものと従来のスポット状のものとに切り替えることができるので、例えば、狭小範囲においてスポット状のパターン像が形成されるように切り替えることが可能となり、汎用性を向上させることができる。
このため、例えば、パターン像がエッジと重なってうまく反射されなかった場合等に、パターン像を回転させてエッジとの重なりを解消することができ、自動的にエラーを解消することができる
このため、ワークWの特性(色や反射率)に応じてパターン像の色が変更でき、汎用性を向上させることができる。
まず、構成について説明する。なお、第1実施形態と同様の構成については、同一の符号を付するものとする。
第2実施形態に係るオートフォーカス装置200は、図6、7に示すように、光出射部1と、ハーフミラー2と、光学部20と、ビームスプリッタ3と、検出部4A,4Bと、演算部5と、ステージ6と、ステージ駆動機構部7と、制御部8と、を備えて構成される。
なお、第2実施形態においては、図5に示すように、光出射部1からハーフミラー2に向かう方向をZ方向(高さ方向)、ハーフミラー2から光学部20に向かう方向をX方向(左右方向)、X方向及びZ方向に直交する方向をY方向(前後方向)とする。
また、ハーフミラー2は、ワークWの表面にて反射され、光学部20を出射光とは逆方向に通過して進んできた戻り光を透過させ、ビームスプリッタ3に向かって照射する。
具体的に、光学部20は、チューブレンズ21と、光形状変形部22と、対物レンズ23と、を備えて構成される。
具体的に、光形状変形部22は、駆動ミラー221と、駆動ミラー221を駆動する駆動部222と、を備えて構成される。
具体的には、チューブレンズ21からの円形状の平行光は、駆動ミラー221のミラー面に対して斜めの方向から照射され、当該駆動ミラー221によって反射される際に駆動ミラー221が回転駆動した場合に、ライン形状ビームに変換されて、下方の対物レンズ23に照射されるようになっている。
つまり、駆動ミラー221が回転駆動すると反射角度が変化するため、光はその反射角度に応じてワークWの表面をライン形状に連続移動し、例えば、図6に示すように、ライン形状のパターン像を結像する。
更に、駆動部222は、駆動ミラー221を駆動状態と静止状態とに切り替え可能であり、駆動ミラー221を駆動状態と静止状態とに切り替えることにより、パターン像をライン形状とスポット状とに切り替えることができるようになっている。
ワークWの表面に形成されるライン形状のパターン像は、駆動ミラー221を光軸Z1回りに回転させることで、回転させることが可能である。
従って、例えば、図3(a)〜(c)に示すように、ワークWの表面に存在するエッジの方向と重ならないようにパターン像を回転させることで、エッジが如何なる向きに存在する場合でも、フォーカス検出ができるようになっている。
そして、ワークWの表面にて反射され、出射光と同一光路を逆方向に進むワークWからの戻り光は、光学部20を出射光と逆方向に通過する際に、光形状変形部22によりライン形状ビームから円形状の平行光に再度変換されて、ハーフミラー2を透過して、ビームスプリッタ3に向かうこととなる。
具体的に、ステージ駆動機構部7は、演算部5で取得されたフォーカス誤差信号に基づいて制御部8から出力される制御信号に応じてステージ6をX、Y、Z方向に移動させると共に、ステージ6のX、Y、Z方向における位置(位置座標)を制御部8に出力する。従って、ステージ駆動機構部7により、ステージ6と対物レンズ23との間の相対距離を変化させ、ワークWの表面に焦点を合わせる(フォーカスを検出する)ことが可能となっている。
RAM82は、CPU81により実行された処理プログラム等を、RAM82内のプログラム格納領域に展開するとともに、入力データや上記処理プログラムが実行される際に生じる処理結果等をデータ格納領域に格納する。
記憶部83は、例えば、不揮発性の半導体メモリで構成され、CPU81によって実行可能なシステムプログラムや、そのシステムプログラムで実行可能な各種処理プログラム、これら各種処理プログラムを実行する際に使用されるデータ、CPU81によって演算処理された各種処理結果のデータなどを記憶する。なお、プログラムは、コンピュータが読み取り可能なプログラムコードの形で記憶部83に記憶されている。
なお、エラー判定時にパターン像を回転させる角度については特に制限はないが、例えば、光軸Z1に対して45°回転させるとよい。
オートフォーカス装置200では、光出射部1から出射した光は、ハーフミラー2を介して光学部20に照射され、光学部20を通過してワークWに照射される。そして、ワークWの表面にて反射された戻り光は、光学部20及びハーフミラー2を出射光とは逆方向に通過して、ビームスプリッタ3を介して検出部4A,4Bに入射する。
光学部20は、チューブレンズ21と対物レンズ23との間に光形状変形部22を備えており、駆動ミラー221が駆動している場合には、ワークWの表面に結像されるパターン像がライン形状に形成される。そして、ワークWの表面にて反射した戻り光は、再度、光学部20内の光形状変形部22により反射するため、円形状に戻される。
つまり、駆動ミラー221が駆動している場合、光出射部1から出射した円形状の出射光は、光形状変形部22によりライン形状となりワークWの表面にて反射して、ライン形状の戻り光は光形状変形部22により円形状に戻って検出部4A,4Bに到達する。
ここで、ワークWの表面に形成されるライン形状のパターン像は、駆動ミラー221を光軸Z1回りに回転させることで回転させることが可能であるため、段差部のエッジの方向と重ならないようにパターン像を回転させることで、エッジが如何なる向きに存在する場合でもフォーカス検出が可能である。
また、制御部8は、検出部4A,4Bにより検出された戻り光の光量が所定の閾値を超えているか否かを判定し、所定の閾値を超えていないと判定した場合に、エラーとして判定する。そして、制御部8は、エラーと判定した場合に、駆動ミラー221を光軸Z1回りに回転させることで、ライン形状のパターン像を回転させ、自動的にエラーを解消する。
更に、駆動ミラー221を駆動状態と静止状態とに切り替えることができ、駆動ミラー221を静止させて、パターン像をスポット状に切り替えることができる。
このため、ワークWの表面にライン形状のパターン像が結像され、スポット状のパターン像に比べて平均化効果が向上するので、ワークWの表面に段差部があった場合でもフォーカス検出ができることとなる。また、ライン形状のパターン像は、駆動ミラー221を光軸Z1回りに回転させることで回転させることが可能であるため、その段差部が如何なる向きに存在する場合でも、フォーカス検出することができる。
このため、例えば、狭小範囲においてスポット状のパターン像が形成されるように切り替えることが可能となり、汎用性を向上させることができる。
このため、例えば、パターン像がエッジと重なってうまく反射されなかった場合等に、パターン像を回転させてエッジとの重なりを解消することができ、自動的にエラーを解消することができる
このため、ワークWの特性(色や反射率)に応じてパターン像の色が変更でき、汎用性を向上させることができる。
1 光出射部(光源)
2 ハーフミラー
3 ビームスプリッタ
4A,4B 検出部(検出手段)
41A,41B 受光素子
5 演算部
6 ステージ
7 ステージ駆動機構部
8 制御部(エラー判定手段)
81 CPU
82 RAM
83 記憶部
10 光学部
11 チューブレンズ
12 シリンドリカルレンズ(光形状変形手段)
121 第一ギア(回転手段)
122 第二ギア(回転手段)
123 回転軸(回転手段)
124 駆動モータ(回転手段)
13 対物レンズ
20 光学部
21 チューブレンズ
22 光形状変形部(光形状変形手段)
221 駆動ミラー
222 駆動部(駆動手段、回転手段)
23 対物レンズ
W ワーク(測定対象物)
Claims (7)
- 光源と、
前記光源と測定対象物との間に配され、前記光源からの出射光と前記測定対象物からの戻り光とが同一光路となるように通過させる光学部と、
前記光学部を通過した前記戻り光によりフォーカス検出を行う検出手段と、
を備え、
前記光学部は、
前記光源からの前記出射光を平行光とするチューブレンズと、
前記チューブレンズからの前記平行光をライン形状に変形させる光形状変形手段と、
前記光形状変形手段からのライン形状の光により前記測定対象物の表面にライン形状のパターン像を集光させる対物レンズと、
前記対物レンズにより集光されるライン形状のパターン像を所定の角度回転させる回転手段と、
を備えることを特徴とするオートフォーカス装置。 - 前記光形状変形手段は、シリンドリカルレンズであり、
前記回転手段は、前記シリンドリカルレンズを回転させることにより、前記ライン形状のパターン像を回転させることを特徴とする請求項1に記載のオートフォーカス装置。 - 前記シリンドリカルレンズは、着脱可能に備えられていることを特徴とする請求項2に記載のオートフォーカス装置。
- 前記光形状変形手段は、
駆動ミラーと、
前記駆動ミラーと前記測定対象物の表面とを結ぶ光軸に対して垂直な面に平行な軸回りに前記駆動ミラーを回転駆動させる駆動手段と、
を備え、
前記回転手段は、前記駆動ミラーと前記測定対象物の表面とを結ぶ光軸回りに前記駆動ミラーを回転させることにより、前記ライン形状のパターン像を回転させることを特徴とする請求項1に記載のオートフォーカス装置。 - 前記駆動手段は、前記駆動ミラーを駆動状態と静止状態とに切り替え可能であり、
前記駆動ミラーを駆動状態と静止状態とに切り替えることにより、前記パターン像の形状をライン形状とスポット状とに切り替えることを特徴とする請求項4に記載のオートフォーカス装置。 - 前記検出手段により検出された戻り光の光量が所定の閾値を超えているか否かを判定し、所定の閾値を超えていないと判定した場合に、エラーとして判定するエラー判定手段を更に備え、
前記回転手段は、
前記エラー判定手段によりエラーが検出された場合に、前記ライン形状のパターン像を回転させることを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載のオートフォーカス装置。 - 前記光源からの前記出射光の波長を変更することで、前記パターン像の色が変更可能であることを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載のオートフォーカス装置。
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